CN108088553A - 模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机叶片试验技术领域，具体提供了模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，基于叶尖定时测量技术，利用叶片振动时到达传感器产生的时间偏差来模拟转子叶片振动情况，设计初始脉冲信号与延时Δt脉冲信号，将初始脉冲信号与延时Δt脉冲信号在转速脉冲信号相邻两转内进行拟合，模拟叶片一转不产生叶片振动而下一转产生叶片振动的情况，得到拟合脉冲信号，并调整设定参数和叶片振幅以模拟不同情况下的叶片振动。该方法可触发产生不同叶片数、转速及叶尖直径设置的转速和叶片脉冲信号，所模拟转速和叶片脉冲能够同步触发输出，并可模拟发动机工作状态下的转子叶片振幅。

Description

模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法

技术领域

本发明涉及发动机叶片试验技术领域，特别涉及模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法。

背景技术

航空发动机转子叶片是发动机的核心部件之一，其强度关系着整个发动机的运行安全。目前国内，非接触叶片振幅测试系统已大量应用于航空发动机地面台架试车与部件试验转子叶片振动测试中。但对于非接触叶片振幅测量准确性没有校准手段。

现有技术方案采用函数信号发生器作为初始信号发生源，通过一定的逻辑关系使发出的初始信号按转速与叶片脉冲形式进行拟合触发输出，其具有如下缺陷：

1、此方法无法按照发动机转子叶片系统的叶片数、转速、叶尖直径等参数的不同设置进行相应模拟；

2、针对低、中转速，低叶片数情况，此方法可满足一定的脉冲精度，但对于高转速、高叶片数时极易出现脉冲增多或缺失，所拟合出的脉冲信号精度无法满足测试需求；

3、叶片和转速脉冲信号无法实现锁频锁相；

4、该方法也无法模拟发动机工作状态下的转子叶片振幅。

发明内容

为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，本发明提供了模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，包括如下步骤：

步骤一，设定转子叶片系统的叶片数为Nb，叶尖位置直径为D，转速为n，得到转速周期T＝60/n，当叶片不发生振动时，叶片经过一个叶栅间距L的时间ΔTb＝T/Nb＝60/(nNb)，当叶片发生振动时，得到叶片相对时间偏差Δt＝ΔAΔTbNb/(πD)＝60ΔA/(πnD)，其中ΔA为转速为n时的叶片振幅；

步骤二，设计初始脉冲信号PS1与延时Δt脉冲信号PS2，将初始脉冲信号PS1与延时Δt脉冲信号PS2在转速脉冲信号PS3相邻两转内进行拟合，模拟叶片一转不产生叶片振动而下一转产生叶片振动的情况，得到拟合脉冲信号PS4，并调整设定参数和叶片振幅以模拟不同情况下的叶片振动。

优选的，步骤二中拟合脉冲信号PS4的拟合和生成通过板卡实现，该板卡具备80MHz源频率、32位多路计数器，且时基稳定性为50ppm，模拟叶片脉冲在连续两个转速脉冲之间一次不产生时间偏差，一次产生时间偏差，并将这两部分脉冲进行叠加，拟合出最终的模拟叶片脉冲，同时结合到达时间偏差与叶尖振幅的对应关系，模拟出不同振幅大小的叶片振动情况。

优选的，对初始脉冲信号进行24倍频并作时间延迟处理。

优选的，系统初始拟合出的脉冲信号形式为：占空比50％，叶片脉宽50μs，转速脉宽1000μs，对初始拟合出的脉冲信号进行信号调理，调理后得到的叶片脉冲信号以及转速脉冲信号的宽度在4～5μs之间，叶片脉冲信号幅值不低于4V，转速脉冲信号幅值不低于5V。

本发明提供的模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，叶片振幅大小与转速均可调节，能够用于对测试系统叶片振幅测量标定工作，该方法具有如下有益效果：

1、根据本发明所述方法可触发产生不同叶片数、转速及叶尖直径设置的转速和叶片脉冲信号，可设置最大叶片数至100、转速范围500～55000rpm；

2、产生脉冲稳定在55000rpm、100叶片的叶栅间距精度可达1.147‰；

3、所模拟转速和叶片脉冲能够同步触发输出，转速与脉冲信号可实现锁频锁相；

4、可模拟发动机工作状态下的转子叶片振幅。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。

图1是本发明提供的方法中的转子叶片振幅模拟原理图；

图2是本发明提供的方法中的转速与叶片脉冲信号拟合图；

图3是本发明提供的方法中的脉冲输出模拟的叶片振动形式示意图；

图4是本发明提供的方法中的生成叶片和转速脉冲信号流程图；

图5是本发明提供的方法中的信号调理电路图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

需要说明的是：在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

本发明提供了模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，可直接应用于转子叶片振动测试系统验证及标定，为研究转子叶片振动特性提供支持，所产生的叶片脉冲及对应的转速脉冲通用性强，精度高，可作为其他转子测试系统的模拟脉冲信号输入。本发明针对非接触测量发动机转子叶片振幅准确性的问题，设计了模拟叶片脉冲信号拟合发生方案，研制了可调振幅叶片与转速脉冲信号发生系统，其包括如下步骤：

步骤一，基于叶尖定时测量技术，利用叶片振动时到达传感器产生的时间偏差来模拟转子叶片振动情况，如图1所示，设定转子叶片系统的叶片数为Nb，叶尖位置直径为D，转速为n，得到转速周期T＝60/n，当叶片不发生振动时，叶片经过一个叶栅间距L的时间ΔTb＝T/Nb＝60/(nNb)，当叶片发生振动时，得到叶片相对时间偏差Δt＝ΔAΔTbNb/(πD)＝60ΔA/(πnD)，其中ΔA为转速为n时的叶片振幅。

步骤二，当转子转速n和叶尖位置直径D已知时，叶片相对时间偏差(即叶尖到达时差)Δt与叶片振幅(即叶尖振幅)ΔA存在一定对应关系，可以通过调整不同的设定振幅，来改变叶片脉冲的到达时差，进而模拟出不同的叶片振幅情况。如图2所示，设计初始脉冲信号PS1与延时Δt脉冲信号PS2，将初始脉冲信号PS1与延时Δt脉冲信号PS2在转速脉冲信号PS3相邻两转内进行拟合，模拟叶片一转不产生叶片振动而下一转产生叶片振动的情况，得到拟合脉冲信号PS4，并调整设定参数和叶片振幅以模拟不同情况下的叶片振动。

步骤二中，拟合脉冲信号PS4的拟合和生成通过板卡实现，该板卡具备80MHz源频率、32位多路计数器，且时基稳定性为50ppm，各通道间可同步总线，对于80MHz计数器，其时钟周期0.0125μs，产生脉冲稳定在55000rpm、100叶片的叶栅间距精度可达1.147‰，模拟叶片脉冲在连续两个转速脉冲之间一次不产生时间偏差，一次产生时间偏差，并将这两部分脉冲进行叠加，拟合出最终的模拟叶片脉冲，同时结合到达时间偏差与叶尖振幅的对应关系，模拟出不同振幅大小的叶片振动情况。

本实施例中优选采用NI PXI-6602板卡，利用6602板卡8通道可同步触发计数功能，通过程序对不同计数器的触发时差进行设定，模拟叶片脉冲在连续两个转速脉冲之间一次不产生时间偏差，一次产生时间偏差，即模拟叶片叶尖的到达时间偏差，然后将这两部分脉冲进行叠加，拟合出最终的模拟叶片脉冲，对应的叶片振动形式如图3所示。叶片与脉冲信号生成具体流程如图4所示，其中，Dev1和Dev2为板卡装置名称，ctr0～ctr7为对应板卡的计数器通道，可通过程序驱动不同的计数器进行触发生成脉冲信号。

利用计数器Dev1/ctr0产生触发脉冲，同时触发其余计数器Dev1/ctr1～Dev1/ctr7、Dev2/ctr0和Dev2/ctr1进行计数，产生一系列的同步脉冲信号，经算法拟合后实现转速脉冲和叶片脉冲信号的同步触发输出。

通过对初始叶片频率脉冲信号进行24倍频并作时间延迟处理，增加了系统对时间延迟参量Δt的辨识精度，进而提高了系统模拟的叶片振幅精度，可实现在高转速、高叶片数条件下输出高精度的脉冲信号。

转速脉冲信号与叶片脉冲信号均由Dev1/ctr1的输出信号作为初始源信号，经不同计数器处理后(分频或倍频)形成最终输出信号，同时6602板卡自身具备锁频锁相功能，能够保证各计数器输出脉冲信号与输入信号相位的一致，按设定参数要求进行分频和倍频处理，不会使信号频率产生较大偏差，因而可以确保最终输出的转速脉冲信号和叶片脉冲信号与所需相位和频率相一致。

系统初始拟合出的脉冲信号形式为：占空比50％，叶片脉宽50μs，转速脉宽1000μs，为使输出脉冲信号通用性更强，同时降低干扰信号对输出脉冲信号的影响，对初始拟合出的脉冲信号进行信号调理，调理后得到的叶片脉冲信号以及转速脉冲信号的宽度在4～5μs之间，叶片脉冲信号幅值不低于4V，转速脉冲信号幅值不低于5V，满足测试模拟需要。

本实施例中优选采用74HC123芯片作为调理电路，如图5所示，74HC123是双路可再触发单稳多谐振荡器，其Rext(7,15)和Cext(6,14)接定时的电阻和电容，可决定触发后Q端产生的单脉冲宽度，作用是不管触发信号持续多长时间，只固定维持外围阻容给定的一段时间就恢复触发前状态，外围电阻电容决定单稳时间，触发由上升或下降沿触发。因而，调理电路输出脉冲的宽度即取决于接入芯片的定时电阻R和定时电容C，这里R＝2k，C＝4.7n，于是输出脉宽tw＝0.45*Rext*Cext＝4.23μs。

下表为各参数不同设置条件下时间延迟参量Δt理论计算值与示波器显示结果。

表1不同设置条件下时间延迟参量Δt理论计算值与示波器显示结果

该方法具有如下有益效果：

1、根据本发明所述方法可触发产生不同叶片数、转速及叶尖直径设置的转速和叶片脉冲信号，可设置最大叶片数至100、转速范围500～55000rpm；

2、产生脉冲稳定在55000rpm、100叶片的叶栅间距精度可达1.147‰；

3、所模拟转速和叶片脉冲能够同步触发输出，转速与脉冲信号可实现锁频锁相；

4、可模拟发动机工作状态下的转子叶片振幅。

根据本方法研制的模拟脉冲信号标定系统现已应用于飞行状态无人值守叶片振动测试仪的标定中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，设定转子叶片系统的叶片数为Nb，叶尖位置直径为D，转速为n，得到转速周期T＝60/n，当叶片不发生振动时，叶片经过一个叶栅间距L的时间ΔTb＝T/Nb＝60/(nNb)，当叶片发生振动时，得到叶片相对时间偏差Δt＝ΔAΔTbNb/(πD)＝60ΔA/(πnD)，其中ΔA为转速为n时的叶片振幅；

步骤二，设计初始脉冲信号PS1与延时Δt脉冲信号PS2，将初始脉冲信号PS1与延时Δt脉冲信号PS2在转速脉冲信号PS3相邻两转内进行拟合，模拟叶片一转不产生叶片振动而下一转产生叶片振动的情况，得到拟合脉冲信号PS4，并调整设定参数和叶片振幅以模拟不同情况下的叶片振动。

2.根据权利要求1所述的模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，其特征在于，步骤二中拟合脉冲信号PS4的拟合和生成通过板卡实现，该板卡具备80MHz源频率、32位多路计数器，且时基稳定性为50ppm，模拟叶片脉冲在连续两个转速脉冲之间一次不产生时间偏差，一次产生时间偏差，并将这两部分脉冲进行叠加，拟合出最终的模拟叶片脉冲，同时结合到达时间偏差与叶尖振幅的对应关系，模拟出不同振幅大小的叶片振动情况。

3.根据权利要求2所述的模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，其特征在于，对初始脉冲信号进行24倍频并作时间延迟处理。

4.根据权利要求3所述的模拟发动机工作状态转子叶片振幅与转速信号的方法，其特征在于，系统初始拟合出的脉冲信号形式为：占空比50％，叶片脉宽50μs，转速脉宽1000μs，对初始拟合出的脉冲信号进行信号调理，调理后得到的叶片脉冲信号以及转速脉冲信号的宽度在4～5μs之间，叶片脉冲信号幅值不低于4V，转速脉冲信号幅值不低于5V。